OPTIMIZATION STEPS TO FILLING A BATCH OF HiPER-SCALE SHELLS FROM FULL-DENSITY AND POROUS POLY-MERS WITH A HIGHLY-PRESSURIZED D2/DT FUEL (1000 ATM): RESULTS OF MODELING AND EXPERIMENTS

Abstract

Современные исследования, проводимые в области управляемого термоядерного синтеза, вышли на свою завершающую стадию -создание экспериментального реактора и осуществление генерации электрической энергии. С этой целью в Европе создаётся мощная лазерная установка HiPER (High Power Laser Energy Research), функционирование которой требует формирования и доставки криогенных мишеней ударного поджига с высокой частотой (порядка нескольких Гц). Отметим, что мишени должны быть свободными (т.е. свободными от какого-либо подвеса). В ФИАН разработана технология FST (FreeStanding Targets), в основу которой положен принцип работы с движущимися бесподвесными мишенями, что позволяет формировать криогенные мишени в непрерывном режиме или с необходимой частотой по замкнутому циклу FST-технологий: заполнение-формирование-доставка. В работе обсуждаются результаты по исследованию первого этапа цикла FST, а именно моделирование заполнения массива оболочек класса HiPER газообразным топливом до давления ~1000 атм при 300 К для различных материалов и разной конструкции оболочки. Приведены данные оптимизационных расчётов по диффузионному заполнению одно-и многослойных оболочек в режиме с постоянным градиентом давления для двух видов топлива: дейтерий (D 2 ) и дейтерий-тритиевая смесь (DT). Представлены результаты экспериментов и даны практические рекомендации по запол-нению оболочек класса HiPER, в том числе оболочек из материала ПАМС (поли-альфа-метил-стирол), с использованием систе-мы заполнения, существующей в ФИАН.Ключевые слова: инерционный термоядерный синтез (УТС), криогенные мишени, заполнение массива оболочек топливом. HiPER is a proposed European High Power laser Energy Research facility dedicated to demonstrating the feasibility of laser driven fusion for IFE reactor. The HiPER facility operation requires the formation and delivery of spherical shock ignition cryogenic targets with a rate of several Hz. The targets must be free-standing, or unmounted. At the Lebedev Physical Institute (LPI), significant progress has been made in the technology development based on rapid fuel layering inside moving free-standing targets that refers to as FST layering method. This allows creating continuously or repeatably operating cryogenic target supply system in accordance with a closed FST cycle: fuel filling -fuel layering -target injection. In this report, we have presented the results of our expertise of the first stage of the FST cycle: development of mathematical models for filling a batch of HiPER-scale polymer shells with a fuel gas up to 1000 atm at 300 K for different geometry and materials of the shell. Modeling fill time and rate has shown that filling stage optimization requires using the ramp filling method for both single-and multilayered polymer shells. Both deuterium (D 2 ) and deuterium-tritium (DT) mixture as fuel have been considered. Therefore, the work objective is to describe the experimental results and to give a practical guide for developing an efficient pressurization scheme for HiPER-scale shells (including the she...

Preparation of Gaseous Fuel Mixtures With Different Amount of Additives for the Formation of Isotropic Cryogenic Layers From Hydrogen Isotopes

“…Конечное давление достигалось за четыре шага (начальный перепад давления в каждом шаге 30 атм.). Режим заполнения рассчитывался с учётом данных по коэффициентам газопроницаемости, прочности и внешнего давления разрушения [16][17][18][19] Установка, показанная на рис. 5, предназначена для диффузионного заполнения массива полимерных оболочек изотопами водорода до давления 301000 атм.…”

Cryogenic Hydrogen Fuel for Controlled Inertial Confinement Fusion (Formation of Reactor-Scaled Cryogenic Targets)

“…-геометрия КФ и время формирования form. [17][18][19]. Поскольку прочностные параметры и коэффициенты газопроницаемости материалов стенки мишени могут быть переменными величинами, то на первое место в исследовании проблемы заполнения оболочек топливным газом выходят методы математического моделирования.…”

“…При этом осуществляется прецизионная подача давления в МК (менее 1 атм./мин), чтобы не разрушить находящиеся в нём оболочки с низкой прочностью (например, полистирол или полимер glow discharge plasma (GDP)). СЗ ФИАН также может осуществить заполнение и более прочных оболочек, например, из полиимида [19,20].…”

“…при учёте зависимости прочности и проницаемости оболочки от времени. Для создания математической модели процесса заполнения тонкостенной сферической оболочки до высоких давлений был предложен подход, основанный на решении краевой задачи Коши для нелинейных параболических уравнений с нелинейными граничными условиями [19,20].…”

Cryogenic Hydrogen Fuel for Controlled Inertial Confinement Fusion (Fst-Formation of Cryogenic Fuel Layer in Moving Free-Standing Shells: Theory and Experiment)

“…В работах [13,14,[39][40][41][42] детально обсуждается первый этап FST-цикла: заполнение массива полимерных оболочек газообразным топливом из изотопов водорода (включая радиоактивный тритий в составе эквимолярной DT-смеси) до давления 1000 атм. при 300 К для различных материалов и конструкций оболочки.…”